1引言

隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，超大規(guī)模集成電路不斷涌現(xiàn)，微處理器及其外圍芯片也得到了迅速的發(fā)展。微電子技術(shù)的最新進(jìn)展之一是將CPU和外圍芯片，如程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并行及串行I/O接口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，中斷控制器等部件集成在一個(gè)芯片里，制造成單片計(jì)算機(jī)（簡稱單片機(jī)" title="單片機(jī)">單片機(jī)）（Single－ChipMicrocomputer）。

近年來推出的一些高檔單片機(jī)還包含有許多特殊功能單元，如A/D及D/A轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器、通信控制器、鎖相環(huán)、DMA、浮點(diǎn)運(yùn)算單元等。這樣，只要外加一些擴(kuò)展電路及必要的通道接口，就可以構(gòu)成各種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、智能儀表、智能接口、功能模塊等，而系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)是單片機(jī)所有功能得到充分發(fā)揮的重要保證。

2基本功能結(jié)構(gòu)框圖

目前，在國際上流行的單片機(jī)主要有INTEL公司的MCS（如MCS51八位機(jī)和MCS96十六位機(jī)）和MOTOROLA公司的M68（如M6805，M68HC11）兩大系列。由于片內(nèi)含有的功能電路不同，各種型號(hào)單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)以及管腳功能和排列順序均不相同，下面以MC68HC05C8為例，對(duì)其基本結(jié)構(gòu)加以介紹。MC68HC05C8基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)管腳功能均已標(biāo)出。

3對(duì)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

圖1MC68HC05C8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2集中供電和分布式供電電源示意圖

系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)極其重要的工作，它對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。電源設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮功率、電平及抗干擾" title="抗干擾">抗干擾等問題，電源功率必須能滿足全系統(tǒng)的需要。單片機(jī)系統(tǒng)的絕大多數(shù)器件以脈沖方式工作，對(duì)較小的系統(tǒng)，功率消耗的脈沖特性更為突出，而較大的系統(tǒng)由于器件功耗的分散性，使得系統(tǒng)整體的功率消耗比較平穩(wěn)。因此，單片機(jī)系統(tǒng)的電源必須有足夠的耐沖擊性，這就要求電源設(shè)計(jì)時(shí)留有充分的余量，一般大系統(tǒng)按實(shí)際功率消耗的1.5倍～2倍設(shè)計(jì)，小系統(tǒng)按實(shí)際功率消耗的2倍～3倍設(shè)計(jì)。

電平設(shè)計(jì)指的是直流電壓幅度和電源在最不利（滿載）情況下的紋波電壓峰峰值設(shè)計(jì)。這兩項(xiàng)指標(biāo)都關(guān)系到單片機(jī)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。因此，必須按系統(tǒng)中對(duì)電平要求最高的器件條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

各種形式的干擾一般都是以脈沖的形式進(jìn)入單片機(jī)的，干擾竄入單片機(jī)系統(tǒng)的渠道主要有3條：空間干擾（場(chǎng)干擾），通過電磁波輻射竄入系統(tǒng)；過程通道干擾，通過與主機(jī)相連的前向通道、后向通道及其它與主機(jī)相互連接的通道進(jìn)入；供電系統(tǒng)干擾，通過供電線路竄入。對(duì)于上述3種干擾必須采用行之有效的措施和具體電路加以消除，確保單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行和工作。

4分布式電源" title="分布式電源">分布式電源設(shè)計(jì)技術(shù)

分布式電源設(shè)計(jì)技術(shù)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)中最常使用的一種電源技術(shù)。所謂分布式電源是指單片機(jī)系統(tǒng)中不同部件的電源相對(duì)獨(dú)立，必要時(shí)還可采用完全電隔離技術(shù)。分布式電源使電源功率分散，這對(duì)降低電源成本、提高電源效率、減少紋波系數(shù)、提高電源穩(wěn)定度都有利。

分布式供電電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“三分離”原則：系統(tǒng)中大功率部分和小功率部分分離，高頻部分和低頻部分分離，精密電路和一般電路分離。

圖2是集中供電和分布式供電的電源連接示意圖，其中圖2（a）是集中供電方式，圖2（b）是分布式供電，電路1～電路4是同一系統(tǒng)中的4個(gè)部分。圖(a)中4個(gè)部分共用1個(gè)電源，而圖（b）中4個(gè)電路用了3個(gè)電源，其中Vcc1和Vcc3由系統(tǒng)電源提供，Vcc2是系統(tǒng)電源之外的單獨(dú)電源。

5便攜式和節(jié)能要求高的電源設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是自身耗能低，因此被廣泛地用于便攜式電子設(shè)備中。便攜系統(tǒng)對(duì)電源的要求與其他系統(tǒng)不同之處在于：

（1）要求在允許的有效使用期間內(nèi)輸出電壓、電流均能滿足系統(tǒng)正常工作的要求。

（2）電源種類越少越好。

（3）更換容易或有充電功能。

解決這些問題是便攜式單片機(jī)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源時(shí)可采取以下措施保證系統(tǒng)電源正常工作：

（1）合理選擇系統(tǒng)電路，盡量降低系統(tǒng)功耗。

這是一個(gè)十分重要又不易引起注意的問題。一般地說，人們?cè)O(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)最容易忽視的一個(gè)問題就是功率損耗設(shè)計(jì)。對(duì)一般系統(tǒng)來說這并不算大問題，但對(duì)大系統(tǒng)、特大系統(tǒng)（例如千門以上的程控交換機(jī)、大型建筑的保安控制系統(tǒng)）以及便攜式單片機(jī)系統(tǒng)來說，能耗就是一個(gè)大問題。因此在這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要始終考慮功率消耗問題，設(shè)計(jì)中也應(yīng)把功率消耗作為具體指標(biāo)，特別是便攜式單片機(jī)系統(tǒng)，功率消耗對(duì)設(shè)計(jì)能否達(dá)到指標(biāo)有著決定性的意義。

（2）采用高能電池和低耗高效的高性能穩(wěn)壓電路。

當(dāng)系統(tǒng)功率消耗的指標(biāo)確定之后，系統(tǒng)電源的指標(biāo)（確切地說是系統(tǒng)電池的安時(shí)數(shù)）也就確定了。對(duì)便攜式單片機(jī)系統(tǒng)有時(shí)是采用與此相反的做法，先確定電池，再根據(jù)電池的安時(shí)數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路。因此，選擇高能電池是系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)。目前多用鎘鎳電池或高能堿性電池作為便攜式單片機(jī)系統(tǒng)的電源。

為確保系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)電源電壓能滿足使用要求，除要求系統(tǒng)集成電路芯片能適應(yīng)一定的電壓變化范圍外，一般還要求電源采取一定的穩(wěn)壓措施，并有電源監(jiān)視報(bào)警電路。

（3）選擇電源要求一致的芯片組成系統(tǒng)，以減少系統(tǒng)電源種類。

6系統(tǒng)電源的抗干擾設(shè)計(jì)

為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾，單片機(jī)系統(tǒng)可采取圖3所示的供電配置。

（1）交流穩(wěn)壓器。用來保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過壓或欠壓，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

圖3系統(tǒng)電源的抗干擾供電配置

圖4雙T濾波器

（2）隔離變壓器?？紤]到高頻噪聲通過變壓器時(shí)主要不是靠初、次級(jí)線圈的互感耦合，而是靠初、次級(jí)間寄生電容耦合的。因此隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容，以提高抗共模干擾的能力。

（3）低通濾波器。由諧波頻譜分析可知，電源系統(tǒng)的干擾大部分是高次諧波，因此采用低通濾波器使50Hz基波通過，濾去高次諧波，以改善電源波形。在低壓下，當(dāng)濾波電路載有大電流時(shí)，宜采用小電感和大電容構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)濾波電路處于高壓下工作時(shí)，則應(yīng)采用小電容和允許的最大電感構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)。

在整流電路之后可采用圖4所示的雙T濾波器，以消除50Hz工頻干擾。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)固定頻率的干擾濾波效果好，其頻率特性為：當(dāng)

將電容C固定，調(diào)節(jié)電阻，當(dāng)輸入50Hz信號(hào)時(shí)，使出電壓u0=0。

另外，還可采用如下措施：如分散獨(dú)立功能塊供電，高抗干擾穩(wěn)壓電源及干擾抑制器等。

7結(jié)語

以上對(duì)單片機(jī)電源設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了闡述。有的系統(tǒng)還要考慮掉電后的數(shù)據(jù)保護(hù)問題，這就要求適當(dāng)?shù)脑O(shè)置掉電保護(hù)電路和采用不間斷電源技術(shù)。

另外，抗干擾電路多種多樣，應(yīng)根據(jù)不同性質(zhì)的干擾采用相應(yīng)的對(duì)策。單片機(jī)系統(tǒng)電路的特點(diǎn)以數(shù)字電路為主，因此，對(duì)電壓穩(wěn)定性和耐電流沖擊性有一定的要求，故選擇電源器件時(shí)要注意留有充分的余量。